Мақалада органикалық қосылыстардағы атомдардың өзара әсері ұғымы негізінде реакциялардың жүру мүмкіншіліктері қарастырылады.
Органикалық қосылыстардың құрылыс теориясы — химиялық құрылыс теориясы, стереохимиялық ұғымдар және химиялық байланыстың электрондық теориясынан тұратын біртұтас жүйеленген негізі болып табылады.
Органикалық химияны оқыту барысындағы маңызды ерекшелігі ретінде пән мазмұны қарастырылады. Ғылым ретінде органикалық химия нақтылы сапалық өзгерістерге түсетін заттар мен химиялық үрдістерге көңіл бөледі. Ал оның бейорганикалық химиямен байланысы атом құрылысы, оның терісэлектрлік мәні және химиялық байланыстың электрондық табиғаты туралы тіректі түсініктерге негізделеді.
Органикалық химия заттарындағы электрондық ығысуымен түсіндірілетін молекуладағы атомдар мен атомдар топтарының өзара әсерлесуіне басты көңіл аударылады. Яғни, әрбір органикалық зат жоғарыда аталған теориялық ұғымдар тұрғысынан түсіндіріледі.
Алдымен, заттың химиялық мәнін ашып көрсететін электрондық құрылысы, электрон бұлттарының гибридтену типтері, оның химиялық және кеңістіктік құрылысы оқытылады. Кейін түсіндіру барысында ұғымдардың дамуы мен толықтырылуы нәтижесінде зат сипаттамасын толық та, жан – жақты қарастыруға болады. Зат қасиеті зат құрылысы мен химиялық реакциялар заңдылықтарына тәуелді.
Көптеген себеп – салдар тәуелділіктердің айқындалуы заттардың қасиеттері мен химиялық үрдістердің өту бағытын алдын – ала болжауға мүмкіндік береді. Мұның өзі мәселелік жағдай туғызады. Ғылымилық пен белсенділіктің үйлесуі оқытудың мазмұны мен ұйымдастыруын мәселелік жағдай ретінде қарастырады.
Химияның теориялық курсына заттар құрылысы туралы түсініктер жүйесі жатады, ал оның дерексіз сипаттамасы теориялық материалды меңгеруде көптеген қиыншылықтар туғызады. Бұл қиыншылықтарды жүйелілік принципін, яғни әр түрлі күрделі тәсілдерді – салыстыру, қортындылау, аналогия, нақтылау, экстраполяция, жіктеу және жүйелеу, пәнаралық байланысты жүзеге асыру, тарихи негізді жүйелі қолдану, теорияның жетекші мәнін ескеру, заттың қасиеттерінің құрылысына тәуелділік идеясын ұдайы көрсету, көрнекіліктің алуан түрлерін пайдаланғанда ғана жоюға болады.
Сонымен бірге химиялық реакциялардың жүру жағдайы заттың реакциялағыштық қабілетіне байланысты. Заттың реакциялағыштық қабілетін түсіндіру үшін молекуладағы атомдардың өзара әсері ұғымы пайдаланылады. Электрондық теория тұрғысынан заттардың реакциялағыштық қабілетін түсіндіру барысында түзілген кемшіліктерді болдырмау үшін белгіленген сұрақтарды жүйелі түрде қарастырып, оқыту әдістемесін жетілдіру керек. Теориялық материалдарды қажетті деңгейде меңгеру терісэлектрлік, байланыс полюстілігі, s — және p — байланыстар ерекшелігі мен тізбек бойынша электрон тығыздығының ығысуы туралы ұғымдарын білуді қажет етеді. Мұның өзі молекулаларда тікелей байланысқан немесе тікелей байланыспаған атомдардың өзара әсерін қарастыруға мүмкіндік береді.
А.М.Бутлеровтің болжамы бойынша қосылыстардағы атомдардың өзара әсері туралы ілімінде зат молекуласы – жай ғана атомдар тобы емес, онда химиялық қосылыстар атомдар қозғалысына тікелей байланысты деді /1/. Бұл ілім химиялық байланыстың электрондық теориясы негізінде ғана қалыптасты.
Молекуладағы атомдардың өзара әсері ұғымын қалыптастыру барысында, бұл құбылыстың бейорганикалық және органикалық заттарға ортақ екеніне көңіл аудару қажет. Бейорганикалық химияда меңгерген білімдерінің органикалық химия курсын оқыту барысында маңызы зор. Осының негізінде, атомдар мен иондар радиусына және терісэлектрлігі мәні ескерілген бір-бірімен тікелей байланысқан біржақтылы әсері бар атомдар қарастырылады. Органикалық химияда атомдардың өзара әсерін оқыту бірнеше кезеңнен тұрады, алғашқы кезеңде молекуладағы электрон тығыздығының қайта таралуына тоқталса, екінші кезеңде органикалық заттарды оқыту атомдардың өзара әсерін біртіндеп және жүйелілікті сақтай отырып қарастыруды қажет етеді. Байланыс полюстілігі, терісэлектрлік мәні,s — және p — байланыс ерекшеліктері және заттың электрондық құрылысы туралы бастапқы алған түсініктері негізінде электрондық эффектілер, соның ішінде индукциялық эффектісі, кейін қосарлану эффектісі оқытылады. Индукциялық эффектіні ескере отырып, атомдардың өзара әсерін қалыптастыру үш сатыны қамтиды:
бірінші саты – галоген мен көмірсутек радикалының өзара әсері,
екінші саты — көмірсутек радикалының p — байланысқа әсері немесе p — байланыстыңкөмірсутек радикалының сутегі атомының қозғалғыштығына әсері,
үшінші саты – радикалдар мен функционалды топтардың өзара әсері және функционалды топтардағы атомдардың өзара әсері.
Атомдардың өзара әсері ұғымының қалыптасу жүйесі білімнің біртіндеп жинақталуына әкеледі , сонымен бірге заттардың реакциялағыштық қабілетін алдын – ала болжауға, басты теориялық сұрақтарды бекітуге және оқу сапасын арттыруға да көмегі зор.
Органикалық химия курсында молекуладағы атомдардың өзара әсері ұғымының қалыптасуы қаныққан галогентуындылары тақырыбынан басталады.
Метан мен метил хлориді молекулаларындағы электрон тығыздығының таралуы заттардың химиялық активтілігінің әртүрлілігін түсіндіреді. Метил хлоридінде хлор атомы басқа атомдарға әсер етеді, яғни көрші көміртегі атомынан электрон тығыздығын өзіне тартып, электрон тығыздығының ығысуына әкеледі, молекулада жартылай оң және жартылай теріс заряд пайда болады:
δ+δ-
Яғни атомдар молекула түзгенде электрондық тығыздықтың белгілі бір үлесін қосады да, электрондық теория классикалық теориямен тығыз байланыста болады. Атомда электрон жетіспеушілігі әсерінен онымен байланысқан сутегі атомдары қозғалғыш болады. Хлор атомы тек қана тікелей байланысқан көміртегі атомына ғана емес, сонымен бірге сутегі атомдарына да әсер етеді де, нәтижесінде атомдардың орынбасу реакциясының жылдамдығы артады /2/. Кейінгі тақырыптарды қарастыру барысында молекуладағы атомдардың әсері ұғымын қолдана отырып, органикалық заттардың да химиялық қасиетттерін, реакциялардың жүру жағдайларын алдын – ала болжауға болады.
Заттың электрондық құрылысы стереохимия түсінігі мен химиялық құрылысына да тәуелді. Бейорганикалық қосылыстарда бұл түсініктердің зат қасиетіне әсері аса байқалмайды, ал органикалық заттарда ол шешуші роль атқарады.
Органикалық қосылыстарда қозған көміртегі атомының гибридтенген электрон бұлттарының бағыты көміртегі тізбегінің кеңістіктік конфигурациясын анықтайды. Молекулалар геометриясы бейорганикалық химияда көмекшілік ролін атқарса, яғни зат молекуласының полюстілік сипатын түсіндіретін болса, органикалық химияда басты зерттеу объектісі болып келеді. Сондықтан да молекулалар геометриясын дұрыс меңгеру зат қасиетін болжауға бағыттама береді /3/.
Ал қанықпаған көмірсутектердің молекулаларындағы атомдардың өзара әсері қос байланыс теріс зарядтыңжинақталған орны болатынын көрсетеді. Молекулаларда қос байланыстың симметриялы және симметриясыз орналасуына қарай электрон тығыздығының таралуы әр түрлі болады.да, мұның өзі молекуладағы p — байланыстың жартылай поляризациялануына әкеледі. Неғұрлым қосылыстарда p — байланыс көбірек поляризацияланса, соғұрлым молекуланың реакциялағыштық қабілеті артады.Қанықпаған көмірсутектердегі көмірсутектік радикалдары p — байланысқа әсер етеді. Радикалдағы электрон тығыздығының көміртекке ығысуы С–Н байланыстың полюстенуіне әкеледі де, сутегі атомының қозғалғыштығын арттырады. Мысалы, пропиленді хлорлау реакциясы осы айтылғанды дәлелдейді. Радикал құрамындағы сутегі атомдарын басқа терісэлектрілігі жоғары атомдарға алмастыру электрон тығыздығының басқа бағытта таралуына әсер етеді де, галогенсутектермен реакцияласуы өзгеше жүретініні байқалады. Осы заңдылықтар кейін ацетиленді көмірсутектерде бекітіледі /1/.
Бензол ядросы бар қосылыстарда толуол молекуласы негізінде атомдардың өзара әсері қарастырылады. Қаныққан көмірсутек гептанмен салыстырғанда толуолдың реакциялағыштық қабілеті жоғары. Толуолдағы электрон тығыздығы метил радикалынан бензол ядросына ығысып, С – Н байланыстар полюстілігі артып, сутегі атомдары қозғалғыш болып, галогенмен орын басу реакциясы жеңілдейді.
Молекуладағы атомдардың өзара әсері туралы көзқарас алифатты спирттер тақырыбында дамытылады. Олардың қасиеттері функционалды топпен тығыз байланысты болғандықтан, гидроксил тобының полюстілігіне көңіл аударылып, ондағы оттегі атомының терісэлектрлік жоғары мәніне сай барлық атомдардың электрон тығыздықтары оған ығысатындығы туралы тірек білімдері қолданылады. Яғни функционалды топтағы сутегі атомының қозғалғыштығы спирттердің қышқылдық қасиетіне ие болатынын көрсетеді. Гидроксил тобындағы оттегі атомының активтілігін арттыру сутегі атомының қозғалғыштығын көбейтеді. Ол үшін радикал құрамына терісэлектрлік мәні жоғары атомды енгізсе болғаны. Гидроксилді қосылыстарды – алифатты спирттер мен ароматты спирттерді салыстыра отыра қарастыру қажет. Проблемалық жағдай тудыра отырып, екі қосылыстың гидроксил топтарының әр түрлі реакциялағыштық қабілетіне назар аударылады.
Альдегидтерді оқығанда келесі сұрақтарды қарастыру ұсынылады, көмірсутек радикалының карбонил тобына және функционалды топтағы сутегі атомының активтілігіне карбонилдің әсері.
Мұнда құмырсқа альдегидіндегі карбонил көбірек поляризацияға ұшырайды, көміртегі атомындағы жартылай оң заряд мәнінің жоғары болуымен оның химиялық активтілігі артады.Ал құмырсқа және сірке қышқылдарындағы активтіліктің әртүрлілігі метил радикалының (+Іэфф.) оң индуктивті эффектісімен түсіндіріледі, яғни электронодонорлы орынбасарлар көміртегі атомындағы пайда болған жартылай оң зарядқа әсер етіп, сутегі атомының қозғалғыштығын азайтады.
δ+δ+δ+δ+
δ—δ—
Карбон қышқылдарындағы атомдардың өзара әсерін қарастыру екі кезеңнен тұрады: біріншісінде карбонил тобы мен гидроксил тобының бір – біріне әсері қарастырылып, карбоксильдегі сутегі атомының аса жоғарғы активтілігі анықталады, ал екіншісінде радикалдың карбоксил тобындағы әсеріне тоқталады. Карбон қышқылының күшін арттыру радикалға терісэлектрлік мәні жоғары атомды енгізуімен шешілетіні түсінікті, яғни молекулада электрон тығыздығы фторға қарай ығысып, оттегі мен сутегі арасында байланыс әлсіреп, сутегі оңай қозғалғыш күшке ие болады. Сонымен бірге, молекула қышқылдығын арттыру радикалға гидросил тобын енгізу арқылы да іске асады.
Аминдер қосылыстарында атомдардың өзара әсерін қарастыру жалғастырылады. Этиламин және диэтиламин молекулаларының электрон тығыздығының таралуын салыстыра отырып, келесідей қортынды жасауға болады.Амин тобының азот атомындағы теріс зарядының мәнінің көп болуы амин молекуласының негіздік қасиетінің басым екендігін көрсетеді. Мұндаүшметиламин молекуласында бұл заңдылық бұзылады. Себебі, азот атомы үш бірдей көмірсутек радикалымен байланысып, сутегі протонының қосылуын тежейді. Сондықтан да үшметиламин молекуласының негіздік қасиеті басқа аминдерге қарағанда әлсіз болып келеді.
Атомдардың өзара әсерін қарастыру ароматты қосылыстардағы анилин тақырыбында аяқталады. Анилин молекуласындағы атомдардың өзара әсері аминдер мен ароматты спирттер молекулалары негізінде қарастырылады.
Молекулалардағы электрон тығыздығының тізбектегі s — байланыс арқылы ығысуы атомдар арасында бағдарша арқылы беріледі:
Ал егер молекулада p — байланыс немесе қосарланған жүйе болса, онда электрон тығыздығының ығысуы p — байланыстан басталып, көміртегі атомында доға бағдарша ретінде аяқталады:
Молекулада атомдардың өзара әсері мәселесін оқыту барысында қолданылатын салыстыру, ұқсастығын таба білу, жинақтап қорыту және басқа да логикалық тәсілдерімен бірге молекулада электронның ығысуын бағдарша арқылы графикалық көрсету әдісі заттардың химиялық қасиеттерін қарастырғанда толық мағлұмат беріп, теориялық материалдың меңгеруін жеңілдетеді.
Атомдардың өзара әсері түсінігін барлық дерлік органикалық қосылыстарда қарастыру атомдардың өзара әсері ұғымын жүйелі оқытуға, жаңа теориялық материалдарды оқығанда кеңінен қолдануға,сонымен бірге салыстыру, қортындылау, проблемалық жағдай туғызғанда пайдалануға мүмкіндік береді.
Сонымен, молекуладағы атомдардың өзара әсерінің мәнін терең де толық түсіну органикалық химия курсын оқыту барысындағы білімін , біліктілігін және дағдыларын арттыруға көп көмегін жасайды.
Әдебиеттер
- Чертков И.Н. Методика формирования у учащихся основных понятий органической химии. Москва. Просвещвение. 1979.
- Петров А.А.,Бальян Х.В.,Трощенко А.Т. Органическая химия. Санкт-Петербург.2002.
- М.Чернобельская.Методика обучения химии в средней школе. Москва. Владос. 2000.
- И. Нұғыманұлы. Химияны оқыту әдістемесі. Алматы. Рауан. 1993.